Geysers as Natural Indicators of Geothermal Activity

إن الجايسرز تمثل أحد أكثر أشكال التعبير المؤثرة بصرياً عن الحرارة الداخلية للأرض التي تصل إلى السطح، وهذه السمات الحرارية المائية النادرة تحدث عندما تسخن المياه الجوفية لتغلي درجات الحرارة بواسطة أجسام المغناطيس الضحلة أو تشكيلات الصخور الساخنة، مما يخلق اندلاعات دورية من البخار والماء الساخن، وفي حين يوجد أقل من 000 1 من الجيوز العاملة في جميع أنحاء العالم، فإن وجودها يشير إلى مناطق ذات قدرة كبيرة على توليد الطاقة الحرارية الأرضية.

إن الصلة بين الجيوزرز ونظم الطاقة الحرارية الأرضية هي مفهومة بشكل مباشر وعلمي، الطاقة الحرارية الأرضية، التي تنشأ من التحلل الإشعاعي داخل قلب الأرض و مفترقها، وتظهر على السطح من خلال النشاط البركاني، والينابيع الساخنة، والبوابل، والمجوهرات، والبلدان التي لديها حقول جيزرية نشطة مثل أيسلندا، ونيوزيلندا، والولايات المتحدة (التحليل الحراري)

ويوفر فهم ميكانيكيي المحركات للمهندسين بيانات حاسمة لتصميم نظم فعالة لاستخراج الطاقة الحرارية الأرضية، كما توفر نفس الظروف الجيولوجية التي تنتج ثورات غزيرة تبلغ 812 1؛ وصخور خزانات طمر، وإعادة تغذية كافية، وارتفاع تدفق المياه(ب)8212؛ وخصائص التنقيب التي تسعى إليها عند إقامة محطات توليد الطاقة الحرارية الأرضية، وتستكشف هذه المادة الرحلة الكاملة من تكوين الجيوزر الطبيعي إلى التنمية النادرة عمليا.

The Formation and Mechanics of Geysers

الشروط الجيولوجية لنشاط الجيزر

يحتاج الجايس إلى مزيج محدد من الظروف الجيولوجية لتكوينها وبقائها نشطة أول احتياج هو مصدر حراري كبير في عمق سطحي نسبياً، عادة ما يكون حجرة ماجما أو تطفلاً مُهتراً في حدود 5 إلى 10 كيلومترات من سطح الأرض، ويجب أن يكون هذا المصدر الحراري قادراً على رفع درجات حرارة المياه الجوفية إلى نقطة الغليان على الأقل بالنسبة للارتفاع المحلي وظروف الضغط.

المكوّن الأساسي الثاني هو نظام سباكة متخصص يتألف من صخرة مكسورة أو مواد مخرّبة أو شبكة من القنوات الجوفية التي يمكنها تخزين المياه ونقلها مع السماح بالضغط على البناء، ويجب أن تُقيّد هذه القنوات في مرحلة ما لخلق فرق الضغط الذي يدفع إلى الانفجارات، وأخيراً، فإن مصدر إعادة شحن المياه الموثوق به هو الوثائق الضرورية(ب)8212؛ بغض النظر عن سقوط الأمطار أو شلال الثلج أو طبقة المياه الجوفية(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ه(ه(ه(ه(ه(ه(ه(ه(ه(ه(ه(ه(ه(ه(ه(ه(ه(ه(ه(ه(ه)(ه(ه(ه(ه(ه(ه(ه)(ه)(ه(ه(ه)(ه)(ه(ه)(ه)(ه(ه(ه(ه(ه(ه(ه(ه(ه(ه)(ه)(ه(ه(ه)

"عُملة الإرغام"

وتتبع دورة ثورة الماغي سلسلة يمكن التنبؤ بها من التدفئة والضغط والتصريف، وتهبط بذور المياه الجوفية الباردة من خلال الكسور حتى تصل إلى الصخور الساخنة بالقرب من مصدر الماما، ومع أن حرارة المياه تصبح أقل كثافة وتبدأ في الارتفاع، ولكن السباك المكثف يحول دون الهروب السهل، مما يخلق عمود ضغط حيث يمكن أن تظل المياه في أعماق أعمق تحت الضغط فوق 100 درجة مئوية.

وعندما تتجاوز درجة الحرارة في العمق نقطة الغلاية بالنسبة لذلك الضغط، تُشكل فقاعات البخار وتتوسع بسرعة، ويزيد هذا التوسع من المياه إلى الارتفاع من خلال التكدس، ويقلل الضغط على المياه العميقة ويتسبب في الغليان الوميض، ويدفع التوسع العنيف في البخار إلى خليط من البخار والماء الساخن من التهوية في الانفجار السمي، ويبدأ النظام مرة أخرى بتجديدات.

التوزيع العالمي لمجالات غيسر النشطة

"أعلى حقول "الجيزر" موجودة في كل قارة باستثناء "أنتاركتيكا" أكثر تركيزات "يلوستون" في "وايومينغ" التي تستضيف أكثر من 500 من المجوهرات النشطة بما فيها "الفايث" القديمة المُتطوّرة في "أيسلندا"

جيزر ك مفاتيح لموارد الطاقة الحرارية الأرضية

كمية الحرارة تحت

إنّها تُقدّم نوافذًا مُتاحةً سطحياً إلى طاقة الأرض الحرارية الحرارية، والحرارة التي تنقل إلى السطح من خلال ثورة المُغيّر، تمثل فقط جزءًا ضئيلًاً من الطاقة الحرارية الأرضية المخزنة في الصخور والسوائل الأساسية، حيث عادةً ما تُعدّ هذه التدرجات الحرارية الأرضية 25 إلى 30 درجة مئوية لكل كيلومتر من العمق، لكن المناطق التي تُركّز فيها الحرارة العالية.

يمكن أن يكون الناتج الحراري لغير كبير واحد كبيراً، على سبيل المثال، فإن جهاز توليد الطاقة في منطقة (يلوستون) (ستيامبوا جيزر) أطول مجوهرات العالم نشاطاً، يُقدّر أنّه من 25 إلى 30 ميغاوات من الطاقة الحرارية خلال ثورته الكبيرة، وعلى كامل نظام حراري يلوستون، يُقدّر العلماء أن الناتج الحراري يتجاوز 000 6 ميغاواط.

تقنيات التنقيب التي تلهمها أنشطة غيسر

ويبدأ التنقيب عن الحرارة الأرضية في كثير من الأحيان برسم خرائط لمعالم الحرارة الأرضية السطحية، بما في ذلك المغنون، والينابيع الساخنة، والبوابل الفومارية، ويستخدم العلماء دراسات استقصائية عن درجات الحرارة، والتحليل الجيوكيميائي للمياه التصريفية، وقياسات مقاومة الطاقة الكهربائية، والتصوير السيزمي لوصف خزانات المياه الجوفية التي تشير إليها الأنشطة السطحية، ويوفر كيمياء المياه في غيسر معلومات عن درجة حرارة المستودعات المحتملة، وتكوين الصخور، وتوقعات المائية.

ويجمع الاستكشاف الحديث بين عمليات الرصد السطحي التقليدية وبين التصوير الحراري بواسطة السواتل، والدراسات الاستقصائية المغناطيسية المحمولة جوا، والنماذج الحاسوبية المتقدمة، ويمكن لهذه التقنيات أن تكشف عن وجود شذوذ حراري دون المستوى الذي قد يشير إلى وجود نظم حرارية أعمق دون تعبير سطحي واضح، غير أن حقول الجيلوس النشطة تظل أكثر المؤشرات الموثوقة للموارد العالية الحرارة الملائمة لتوليد الكهرباء، وتتطلب عادة درجات حرارة فوق 150 درجة مئوية من محطات توليد الطاقة التقليدية.

توليد الطاقة المستدامة من الموارد الحرارية الأرضية

How Geothermal Power Plants Operate

وتحوّل محطات توليد الطاقة الحرارية الأرضية الحرارة من خزانات تحت الأرض إلى كهرباء من خلال ثلاث تكنولوجيات أولية، وتُستخدم محطات البخار الجافة، وهي أقدم أنواع البخار، مباشرة من الأرض من خلال التوربينات لتوليد الطاقة، وتُستخدم محطات البخار، التي هي الأكثر شيوعاً اليوم، في سحب مياه ساخنة عالية الضغط من الخزانات العميقة، وتسمح لها بأن تُضيء إلى إنتاج البخاري.

وتعمل الأنواع النباتية الثلاثة باستمرار مع عوامل القدرة التي تتجاوز 90 في المائة، مما يعني أنها تنتج الطاقة الكهربائية بشكل موثوق أكثر من المنشآت الشمسية أو الريحية التي تعتمد على الظروف الجوية، وهذه القدرة على تحميل الأرض تجعل الطاقة الحرارية الأرضية عنصرا جذابا من حافظات الطاقة المتجددة المتنوعة، كما أن النباتات الحديثة تدمج نظما مغلقة تعيد إلى المستودعات مسوائل الحرارة الأرضية الباردة، وتحافظ على الضغط وتمتد حياة المورد مع منع إطلاق الغازات الطبيعية.

المنافع البيئية للطاقة الحرارية الأرضية

ويوفر توليد الطاقة الحرارية الأرضية مزايا بيئية كبيرة مقارنة بمصادر الوقود الأحفوري، إذ تبلغ انبعاثات غازات الدفيئة الناجمة عن النباتات الحرارية الأرضية زهاء 5 في المائة من تلك التي تنتج عن محطات حرائق الفحم و 10 في المائة من محطات الغاز الطبيعي، كما أن البصمة الأرضية لكل ساعة من صغار مصادر الطاقة، مما يتطلب فقط ما يتراوح بين 1 و 8 فدان لكل ميغاوات من الطاقة الثابتة مقارنة بـ 10 إلى 50 هكتارا من مشاريع البنية التحتية الشمسية.

ويتفاوت استخدام المياه حسب نوع النبات، ولكن محطات الدورة الثنائية الحديثة تستهلك الحد الأدنى من المياه العذبة، باستخدام السوائل الحرارية الأرضية في الحلقات المغلقة، بل إن النباتات المفاجئة تستخدم في كثير من الأحيان مياها أقل لكل ساعة من محطات الطاقة الحرارية التي تعتمد على أبراج التبريد، وعندما تدار إدارة سليمة، تتعايش التنمية الحرارية الأرضية مع استخدامات أخرى للأراضي مثل الزراعة أو الحراجة أو الترفيه، مما يوفر منافع اقتصادية دون تكريس أراضي حصري.

فوائد الطاقة الحرارية الأرضية

  • Low greenhouse gas emissions] ' 8212; Geothermal plants emit 5-10% of the carbon dioxide of equivalent natural gas plants, with minimal methane or nitrous oxide release.
  • High energy efficiency] ' 8212; Modern geothermal systems achieve thermal efficiencies of 10-20% for electricity generation, with direct-use applications reached 50-70% efficiency for heating.
  • Minimal land use] ' 8212; Geothermal facilities require 1-8 acres per megawat, significantly less than solar, wind, or biomass facilities of equivalent capacity.
  • Reliable power output] ' 8212; With capacity factors above 900% and availability exceeding 955%, geothermal provides dependable baseload electricity unaffected by weather or time of day.
  • Domestic energy independence] ' 8212; Geothermal resources are locally available in many regions, reducing dependence on imported fuels and price volatile.
  • Long operational lifespan] ' 8212; ؛ ويمكن أن تنتج الحقول الحرارية الأرضية المصممة تصميما جيدا الطاقة لمدة 30 عاما أو أكثر مع إدارة الخزانات المناسبة.
  • Cogeneration opportunities] ' 8212; Beyond electricity, geothermal heat can directly supply district heating, greenhouse agriculture, aquaculture, industrial processes, and resort spas.

الاعتبارات الاقتصادية والتحديات

وعلى الرغم من مزاياها، فإن تنمية الطاقة الحرارية الأرضية تواجه عقبات اقتصادية كبيرة، فالتنقيب والتنقيب كبيران، إذ تبلغ تكلفة التنقيب الواحد 5-15 مليون دولار وآبار الإنتاج 4-10 ملايين دولار، ويزيد الخطر الجيولوجي المتمثل في حفر الآبار غير الناجحة من عدم اليقين المالي، رغم أن التقنيات الجيوفيزيائية الحديثة قد حسّنت معدلات النجاح، وتتراوح التكاليف الإجمالية للمصانع الحرارية الأرضية عادة بين 500 2 دولار و 500 5 دولار لكل كيلوت.

ومع ذلك، فعندما تعمل النباتات الحرارية الأرضية تستفيد من عدم تكبد أي تكاليف وقودية وانخفاض تكاليف التشغيل المتغيرة - تتراوح تكلفة الكهرباء من المستوى بالنسبة لمصانع الطاقة الحرارية الأرضية الجديدة في المواقع الصالحة من 55 دولارا إلى 95 دولارا في الساعة المتوسطة، وهي تكلفة تنافسية مع مصادر متجددة أخرى، وتزداد جاذبية مع ازدياد سياسات تسعير الكربون، وقد دعمت الحوافز الحكومية، والائتمانات الضريبية للإنتاج، ومعايير الحافظة المتجددة النمو في البلدان التي تضم الولايات المتحدة وإندونيسيا والفلبين وأيسلبت 000 1 دولار.

الموازنة بين إنتاج الطاقة وحفظ نظام غيزر

حماية الكائنات الطبيعية غير القابلة للاستبدال

ويتطلب تطوير الموارد الحرارية الأرضية بالقرب من حقول الميزر إدارة دقيقة للحفاظ على التوازن الحراري في الملامح السطحية، ويشعر الجيزرون بالحساسية إزاء الضغوط دون السطحية والتغيرات في درجات الحرارة، ويمكن أن يؤدي الإفراط في استخراج السوائل الحرارية الأرضية إلى الحد من الاندلاع أو القضاء عليه، وقد شهد مجال الحرارة الأرضية في نيوزيلندا انخفاضا ملموسا في نشاط الجيزر القريب بعد أن بدأ الإنتاج المكثف في إدارة الموارد في عام 1950.

اليوم، يستخدم المشغلون عدة استراتيجيات للتقليل إلى أدنى حد من التأثير على السمات السطحية، وتمنع الحدود الفاصلة ومناطق الاستبعاد من الحفر مباشرة تحت السمات الحرارية المائية الحساسة، وتساعد نماذج الخزانات على التنبؤ بآثار الاستخراج على درجة الحرارة والضغط تحت سطح الأرض، وتحافظ إعادة استخدام السوائل الحرارية الأرضية المبردة على ضغط الخزان والكتلة الحرارية، وتتتبع برامج الرصد درجات الحرارة السطحية، ومعدلات التدفق، وأنماط الرقابية للكشف عن التغيرات في وقت مبكر.

دراسة حالة: نموذج ايسلندا الحراري الأرضي المستدام

تقدم ايسلندا نموذجا مثاليا للتنمية الحرارية الأرضية التي تحترم الملامح الطبيعية في الوقت الذي تلبي فيه احتياجات الطاقة، وتولد البلد حوالي 30 في المائة من الكهرباء من مصادر الطاقة الحرارية الأرضية، مع ما تبقى من الطاقة الكهرمائية، مما يجعلها أحد قادة العالم في الطاقة المتجددة، وقد تم إدارة منطقة غيسر الشهير، التي أعطت اسمها لجميع الجيزر في جميع أنحاء العالم، بعناية للحفاظ على خصائصها بينما توفر الحقول الحرارية الأرضية القريبة المائية التدوية طاقة متجددة.

مصنع هيلشيدي للحرارة الأرضية، وهو أكبر مصنع في العالم يعمل في منطقة بركانية جنوب ريكهافيك وينتج 303 ميغاوات من الكهرباء بينما يزود بحرارة إلى منطقة العاصمة، ومن خلال إعادة حرق السوائل الحرارية الأرضية، يحافظ المصنع على ضغط خزانات ويقلل من التأثير البيئي، ويظهر نجاح أيسلندا أنه مع التكنولوجيا المناسبة، والتنظيم، وتخطيط استخدام الأراضي.

القدرة على إحداث الاحترار العالمي في مجال الطاقة الحرارية الأرضية ومستقبلها

القدرة الحالية على التركيب على نطاق العالم

وبلغت القدرة العالمية على توليد الطاقة الحرارية الأرضية حوالي 000 16 ميغاوات بحلول عام 2024، وتقود الولايات المتحدة نحو 900 3 ميغاوات من النباتات التي تتركز في كاليفورنيا ونيفادا وأوتاه وإندونيسيا، وتتابع ما يزيد على 400 2 ميغاوات، والفلبين التي يبلغ عدد الميغاوات فيها نحو 900 1 ميغاوات، وتركيا التي تبلغ مساحتها نحو 700 1 ميغاوات، وتستأثر هذه البلدان الأربعة بأكثر من نصف إنتاج الطاقة الأرضية في جميع أنحاء العالم.

بل إن الاستخدام المباشر للحرارة الحرارية الأرضية في التطبيقات غير الكهربائية هو أكثر انتشارا، إذ يقدر عدد المزودين بالطاقة الحرارية المائية بـ 000 70 ميغاوات على الصعيد العالمي لتدفئة المناطق، والزراعة الدافئ، وتربية الأحياء المائية، وتجهيز المنتجات الصناعية، والاستحمام، وتدفئة أيسلندا بأكثر من 90 في المائة من مبانيها بالطاقة الحرارية الأرضية، بينما تقود الصين إلى استخدام مباشر مع نظم تدفئة واسعة في المقاطعات الشمالية.

الموارد غير المستغلة

ورغم النمو الأخير، لا تزال الموارد الحرارية الأرضية المتاحة غير مستخدمة استخداماً كافياً، فقد قدرت الوكالة الدولية للطاقة المتجددة أن الطاقة الحرارية الأرضية العالمية لتوليد الكهرباء تتجاوز 000 200 ميغاوات مع التكنولوجيا الحالية، إذ ارتفعت إلى أكثر من 000 1 ميغاوات مع وجود نظم حرارية جيولوجية معززة يمكن أن تصل إلى تشكيلات صخرية أكبر حجماً وأقل قابلية للاستمرار.

فالتكنولوجيات الناشئة، بما في ذلك النظم الحرارية الأرضية المغلقة، واستخراج السوائل فوق درجة حرارة، وتقنيات الحفر المتقدمة، تعد بتقليل التكاليف وتوسيع مناطق الموارد القابلة للاستمرار، ويمكن للروك الجاف الساخن ونظم الطاقة الحرارية الأرضية المعززة أن تفتحا موارد حرارية كبيرة في المناطق التي لا توجد فيها خزانات طبيعية أو سمات سطحية مثل المجوهرات، وحيث أن هذه التكنولوجيات ناضجة وتقلل التكاليف، فإن الطاقة الحرارية الأرضية في وضع يسمح لها بأن تصبح مساهما أكبر بكثير في مزيج الطاقة المتجددة العالمية.

الاستنتاج: " Geysers " كدليل لمستقبل الطاقة المستدامة

فالجيزر يُستخدمون كعجائب طبيعية ومؤشرات عملية لموارد الطاقة الحرارية الأرضية الهائلة، وتكشف ثورتهم المأساوية عن وجود مصادر حرارية يمكن تطويرها لتوليد الكهرباء النظيفة والموثوقة، ويوفّر فهم الظروف الجيولوجية التي تخلق وتحافظ على نشاطات الجيزر المعرفة الأساسية لتحديد مواقع مستودعات الطاقة الحرارية الأرضية وتميزها وإدارتها من أجل إنتاج الطاقة المستدامة.

ويتوقف نمو الطاقة الحرارية الأرضية على استمرار التقدم التكنولوجي، والإدارة المسؤولة للموارد، وأطر السياسات الداعمة التي تعترف بقيمة الطاقة وأهمية الحفاظ على هذه السمات، وبحكم سليم، فإن نفس الحرارة التي يمكن أن تسهم بها ثورات المجوهرات إسهاماً مجدياً في الجهود العالمية الرامية إلى إزالة الكربون، مع احترام التراث الطبيعي، تمثل هذه السمات الرائعة، ومع تحولات العالم نحو نظم الطاقة المتجددة، فإن المبشرين الذين يمكن الوصول إليهم هم بمثابة تذكيرات البارزة.